JP2010016349A - Power module substrate, power module, and method of manufacturing power module substrate - Google Patents

Power module substrate, power module, and method of manufacturing power module substrate Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power module substrate in which metal plates and a ceramic substrate are securely bonded to each other for achieving high thermal cycle reliability, a power module having the power module substrate, and a method of manufacturing the power module substrate. <P>SOLUTION: Metal plates (12, 13) formed of aluminum are laid on and bonded to a surface of a ceramic substrate (11) to form a power module substrate. The metal plates (12, 13) and the ceramic substrate (11) are bonded to each other by using a brazing filler metal containing Si. In addition, Cu is added to a joint interface (30) between the metal plates and the ceramic substrate (11), and Si and Cu are present in the form of a solid solution in the metal plates (12, 13). In a portion on the joint interface (30) side of the metal plates (12, 13), an Si concentration is set to 0.05-0.5 wt.%, and a Cu concentration is set to 0.05-1.0 wt.%. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

この発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられるパワーモジュール用基板、このパワーモジュール基板を備えたパワーモジュール及びこのパワーモジュール用基板の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a power module substrate used in a semiconductor device that controls a large current and a high voltage, a power module including the power module substrate, and a method for manufacturing the power module substrate.

半導体素子の中でも電力供給のためのパワーモジュールは発熱量が比較的高いため、これを搭載する基板としては、例えば、ＡｌＮ（窒化アルミ）からなるセラミックス基板上にＡｌ（アルミニウム）の金属板がＡｌ−Ｓｉ系のろう材を介して接合されたパワーモジュール用基板が用いられる。
また、この金属板は回路層として形成され、その金属板の上には、はんだ材を介してパワー素子の半導体チップが搭載される。
なお、セラミックス基板の下面にも放熱のためにＡｌ等の金属板が接合されて金属層とされ、この金属層を介して放熱板上にパワーモジュール用基板全体が接合されたものが提案されている。 A power module for supplying power among semiconductor elements has a relatively high calorific value. For example, an Al (aluminum) metal plate is formed on a ceramic substrate made of AlN (aluminum nitride). A power module substrate bonded via a Si-based brazing material is used.
The metal plate is formed as a circuit layer, and a power element semiconductor chip is mounted on the metal plate via a solder material.
In addition, a metal plate made of Al or the like is bonded to the lower surface of the ceramic substrate to form a metal layer for heat dissipation, and the entire power module substrate is bonded to the heat sink via this metal layer. Yes.

従来、前記回路層及び前記金属層としての金属板とセラミックス基板との良好な接合強度を得るため、例えば下記特許文献１に、セラミックス基板の表面粗さを０．５μｍ未満にしている技術が開示されている。   Conventionally, in order to obtain good bonding strength between the circuit layer and the metal plate as the metal layer and the ceramic substrate, for example, the following Patent Document 1 discloses a technique in which the surface roughness of the ceramic substrate is less than 0.5 μm. Has been.

特開平３−２３４０４５号公報Japanese Patent Laid-Open No. 3-234045

しかしながら、金属板をセラミックス基板に接合する場合、単にセラミックス基板の表面粗さを低減しても十分に高い接合強度が得られず、信頼性の向上が図れないという不都合があった。例えば、セラミックス基板の表面に対して、乾式でＡｌ２Ｏ３粒子によるホーニング処理を行い、表面粗さをＲａ＝０．２μｍにしても、剥離試験で界面剥離が生じてしまう場合があることが分かった。また、研磨法により表面粗さをＲａ＝０．１μｍ以下にしても、やはり同様に界面剥離が生じてしまう場合があった。 However, when the metal plate is bonded to the ceramic substrate, there is a disadvantage that a sufficiently high bonding strength cannot be obtained even if the surface roughness of the ceramic substrate is simply reduced, and the reliability cannot be improved. For example, even if the surface of the ceramic substrate is subjected to a honing process with Al 2 O 3 particles in a dry manner and the surface roughness is set to Ra = 0.2 μm, interface peeling may occur in the peeling test. I understood. Further, even when the surface roughness was set to Ra = 0.1 μm or less by the polishing method, there was a case where the interface peeling occurred in the same manner.

特に、最近では、パワーモジュールの小型化・薄肉化が進められるとともに、その使用環境も厳しくなってきており、電子部品からの発熱量が大きくなる傾向にあり、前述のように放熱板上にパワーモジュール用基板を配設する必要がある。この場合、パワーモジュール用基板が放熱板によって拘束されるために、熱サイクル負荷時に、金属板とセラミックス基板との接合界面に大きなせん断力が作用することになるため、さらなる接合強度の向上及び信頼性の向上が求められている。   In particular, recently, power modules have become smaller and thinner, and the usage environment has become harsh, and the amount of heat generated from electronic components tends to increase. It is necessary to dispose a module substrate. In this case, since the power module substrate is constrained by the heat radiating plate, a large shearing force acts on the bonding interface between the metal plate and the ceramic substrate at the time of thermal cycle load. There is a need for improvement in performance.

この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、金属板とセラミックス基板とが確実に接合され、熱サイクル信頼性の高いパワーモジュール用基板、このパワーモジュール基板を備えたパワーモジュール及びこのパワーモジュール用基板の製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described circumstances, wherein a metal plate and a ceramic substrate are securely bonded to each other, and a power module substrate having high thermal cycle reliability, a power module including the power module substrate, and It aims at providing the manufacturing method of this board | substrate for power modules.

このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のパワーモジュール用基板は、セラミックス基板の表面に、アルミニウムからなる金属板が積層されて接合されたパワーモジュール用基板であって、前記金属板と前記セラミックス基板とがＳｉを含有するろう材を用いて接合されるとともに、前記金属板と前記セラミックス基板の接合界面にＣｕが添加されており、前記金属板には、Ｓｉ及びＣｕが固溶しており、前記接合界面側部分におけるＳｉ濃度が０．０５〜０．５ｗｔ％，Ｃｕ濃度が０．０５〜１．０ｗｔ％の範囲内に設定されていることを特徴としている。   In order to solve such problems and achieve the above object, the power module substrate of the present invention is a power module substrate in which a metal plate made of aluminum is laminated and bonded to the surface of a ceramic substrate. In addition, the metal plate and the ceramic substrate are bonded using a brazing material containing Si, and Cu is added to the bonding interface between the metal plate and the ceramic substrate. And Cu is solid-solved, and the Si concentration in the bonding interface side portion is set to 0.05 to 0.5 wt% and the Cu concentration is set to 0.05 to 1.0 wt%. Yes.

この構成のパワーモジュール用基板においては、セラミックス基板とアルミニウムからなる金属板とがＳｉを含有するろう材を用いて接合されるとともに、前記金属板と前記セラミックス基板の接合界面にＣｕが添加されている。ここで、Ｃｕは、Ａｌに対して反応性の高い元素であるため、接合界面にＣｕが存在することによってアルミニウムからなる金属板の表面が活性化することになる。よって、一般的なＡｌ−Ｓｉ系のろう材を用いて、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、セラミックス基板と金属板とを強固に接合することが可能となる。
なお、Ｃｕを接合界面に添加する方法としては、セラミックス基板及びろう材の表面にＣｕを蒸着、スパッタリング及びメッキ等によって固着してもよいし、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材中にＣｕを含有させてもよい。 In the power module substrate having this configuration, the ceramic substrate and the metal plate made of aluminum are bonded using a brazing material containing Si, and Cu is added to the bonding interface between the metal plate and the ceramic substrate. Yes. Here, since Cu is an element having high reactivity with respect to Al, the presence of Cu at the bonding interface activates the surface of the metal plate made of aluminum. Therefore, it is possible to firmly bond the ceramic substrate and the metal plate even when bonding is performed using a general Al—Si brazing material under relatively low temperature and short time bonding conditions.
As a method for adding Cu to the bonding interface, Cu may be fixed to the surface of the ceramic substrate and the brazing material by vapor deposition, sputtering, plating or the like, or Cu may be contained in the Al-Si brazing material. May be.

また、前記金属板にＣｕが固溶しており、接合界面側部分のＣｕ濃度が、０．０５〜１．０ｗｔ％の範囲内に設定されているので、金属板の接合界面側部分が固溶強化することになる。これにより、金属板部分での破断を防止することができ、接合信頼性を向上させることができる。
さらに、セラミックス基板とアルミニウムからなる金属板とがＳｉを含有するろう材を用いて接合されており、前記金属板にＳｉが固溶し、接合界面側部分のＳｉ濃度が、０．０５〜０．５ｗｔ％の範囲内に設定されているので、ろう材が確実に溶融してＳｉが十分に金属板に拡散しており、セラミックス基板と金属板とが強固に接合される。 In addition, since Cu is solid-solved in the metal plate and the Cu concentration in the bonding interface side portion is set within a range of 0.05 to 1.0 wt%, the bonding interface side portion of the metal plate is solid. It will be strengthened. Thereby, the fracture | rupture in a metal plate part can be prevented and joining reliability can be improved.
Furthermore, the ceramic substrate and the metal plate made of aluminum are bonded using a brazing material containing Si, Si is solid-solved in the metal plate, and the Si concentration in the bonded interface side portion is 0.05 to 0. Since it is set within the range of 5 wt%, the brazing material is surely melted and Si is sufficiently diffused into the metal plate, and the ceramic substrate and the metal plate are firmly bonded.

また、前記セラミックス基板の幅が前記金属板の幅よりも広く設定されており、前記金属板の幅方向端部においては、アルミニウム中にＳｉ，Ｃｕが固溶されたアルミニウム相と、Ｓｉの含有率が９８ｗｔ％以上とされたＳｉ相と、ＡｌとＣｕとＳｉの３元共晶組織からなる共晶相と、が形成されていることが好ましい。
この場合、金属板の幅方向端部に、アルミニウム中にＳｉ，Ｃｕが固溶されたアルミニウム相以外に、Ｓｉの含有率が９８ｗｔ％以上とされたＳｉ相と、ＡｌとＣｕとＳｉの３元共晶組織からなる共晶相が形成されているので、金属板の幅方向端部を強化することが可能となる。 Further, the width of the ceramic substrate is set wider than the width of the metal plate, and at the end in the width direction of the metal plate, an aluminum phase in which Si and Cu are dissolved in aluminum, and the inclusion of Si It is preferable that a Si phase having a rate of 98 wt% or more and a eutectic phase composed of a ternary eutectic structure of Al, Cu, and Si are formed.
In this case, at the end in the width direction of the metal plate, in addition to the aluminum phase in which Si and Cu are dissolved in aluminum, the Si phase in which the Si content is 98 wt% or more, and Al, Cu and Si 3 Since the eutectic phase composed of the original eutectic structure is formed, it is possible to reinforce the width direction end of the metal plate.

さらに、前記共晶相においては、Ｃｕを含む化合物からなる析出粒子が析出していることが好ましい。
この場合、金属板の幅方向端部に形成された共晶相において、Ｃｕを含む化合物からなる析出粒子が析出しているので、金属板の幅方向端部を析出強化することが可能となる。これにより、金属板の幅方向端部からの破断の発生を防止することができ、接合信頼性を向上させることができる。 Further, in the eutectic phase, it is preferable that precipitated particles made of a compound containing Cu are precipitated.
In this case, in the eutectic phase formed at the end portion in the width direction of the metal plate, the precipitated particles made of the compound containing Cu are precipitated, so that the end portion in the width direction of the metal plate can be strengthened by precipitation. . Thereby, generation | occurrence | production of the fracture | rupture from the width direction edge part of a metal plate can be prevented, and joining reliability can be improved.

ここで、前記セラミックス基板がＡｌＮ又はＡｌ２Ｏ３で構成されており、前記金属板と前記セラミックス基板との接合界面に、Ｓｉ濃度が前記金属板中のＳｉ濃度の５倍以上とされたＳｉ高濃度部が形成されていてもよい。
この場合、前記金属板と前記セラミックス基板との接合界面に、Ｓｉ濃度が前記金属板中のＳｉ濃度の５倍以上とされたＳｉ高濃度部が形成されているので、接合界面に存在するＳｉ原子によってＡｌＮ又はＡｌ２Ｏ３からなるセラミックス基板とアルミニウムからなる金属板との接合強度が向上することになる。なお、ここで、金属板中のＳｉ濃度とは、金属板のうち接合界面から一定距離（例えば、５０ｎｍ以上）離れた部分におけるＳｉ濃度である。 Here, the ceramic substrate is made of AlN or Al 2 O 3 , and the Si concentration is 5 times or more of the Si concentration in the metal plate at the bonding interface between the metal plate and the ceramic substrate. A high concentration part may be formed.
In this case, since a Si high concentration portion in which the Si concentration is 5 times or more of the Si concentration in the metal plate is formed at the bonding interface between the metal plate and the ceramic substrate, Si present at the bonding interface is formed. The bonding strength between the ceramic substrate made of AlN or Al 2 O 3 and the metal plate made of aluminum is improved by the atoms. Here, the Si concentration in the metal plate is the Si concentration in a portion of the metal plate that is away from the bonding interface by a certain distance (for example, 50 nm or more).

接合界面に高濃度で存在するＳｉは、主にろう材中に含有されたＳｉであると考えられる。接合時に、Ｓｉはアルミニウム（金属板）中に拡散し、接合界面から減少することになるが、セラミックスとアルミニウム（金属板）との界面部分が不均一核生成のサイトとなってＳｉ原子が界面部分に残存し、Ｓｉ濃度が前記金属板中のＳｉ濃度の５倍以上とされたＳｉ高濃度部が形成されることになる。   Si present at a high concentration at the bonding interface is considered to be mainly Si contained in the brazing material. At the time of bonding, Si diffuses into the aluminum (metal plate) and decreases from the bonding interface, but the interface between the ceramic and aluminum (metal plate) serves as a site for heterogeneous nucleation, and Si atoms are interfaced. A high Si concentration portion that remains in the portion and has a Si concentration of 5 times or more the Si concentration in the metal plate is formed.

また、前記セラミックス基板がＳｉ３Ｎ４で構成されており、前記金属板と前記セラミックス基板との接合界面に、酸素濃度が前記金属板中及び前記セラミックス基板中の酸素濃度よりも高くされた酸素高濃度部が形成されており、該酸素高濃度部の厚さが４ｎｍ以下とされていてもよい。
この場合、Ｓｉ３Ｎ４からなるセラミックス基板とアルミニウムからなる金属板との接合界面に、酸素濃度が前記金属板中及び前記セラミックス基板中の酸素濃度よりも高くされた酸素高濃度部が形成されているので、接合界面に存在する酸素によってＳｉ３Ｎ４からなるセラミックス基板とアルミニウムからなる金属板との接合強度が向上する。さらに、この酸素高濃度部の厚さが４ｎｍ以下とされているので、熱サイクルを負荷した際の応力によって酸素高濃度部にクラックが発生することが抑制される。
なお、ここで、金属板中及びセラミックス基板中の酸素濃度とは、金属板及びセラミックス基板のうち接合界面から一定距離（例えば、５０ｎｍ以上）離れた部分における酸素濃度である。 The ceramic substrate is made of Si 3 N 4 , and an oxygen concentration is higher than an oxygen concentration in the metal plate and in the ceramic substrate at a bonding interface between the metal plate and the ceramic substrate. A high concentration part may be formed, and the thickness of the oxygen high concentration part may be 4 nm or less.
In this case, a high oxygen concentration portion in which the oxygen concentration is higher than the oxygen concentration in the metal plate and the ceramic substrate is formed at the bonding interface between the ceramic substrate made of Si 3 N 4 and the metal plate made of aluminum. Therefore, the bonding strength between the ceramic substrate made of Si 3 N 4 and the metal plate made of aluminum is improved by oxygen present at the bonding interface. Furthermore, since the thickness of the high oxygen concentration portion is 4 nm or less, the occurrence of cracks in the high oxygen concentration portion due to stress when a thermal cycle is applied is suppressed.
Here, the oxygen concentration in the metal plate and the ceramic substrate is an oxygen concentration in a portion of the metal plate and the ceramic substrate that is away from the bonding interface by a certain distance (for example, 50 nm or more).

また、接合界面に高濃度で存在する酸素は、セラミックス基板の表面に存在する酸素及びろう材の表面に形成された酸化膜から取り込まれたものであると考えられる。ここで、酸素濃度が接合界面において高濃度に存在するということは、これらの酸化膜等が確実に除去されるように十分に加熱されていることになり、セラミックス基板と金属板とを強固に接合することが可能となる。   Further, it is considered that oxygen present at a high concentration at the bonding interface is taken from oxygen present on the surface of the ceramic substrate and an oxide film formed on the surface of the brazing material. Here, the high oxygen concentration at the bonding interface means that the oxide film and the like are sufficiently heated so that the ceramic substrate and the metal plate are firmly removed. It becomes possible to join.

本発明のパワーモジュールは、前述のパワーモジュール用基板と、該パワーモジュール用基板上に搭載された電子部品と、を備えることを特徴としている。
この構成のパワーモジュールによれば、セラミックス基板と金属板との接合強度が高く、使用環境が厳しい場合であっても、その信頼性を飛躍的に向上させることができる。 A power module according to the present invention includes the power module substrate described above and an electronic component mounted on the power module substrate.
According to the power module having this configuration, the bonding strength between the ceramic substrate and the metal plate is high, and the reliability can be drastically improved even when the usage environment is severe.

また、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板の表面に、アルミニウムからなる金属板が積層されて接合されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記セラミックス基板と前記金属板との間にＳｉを含有するろう材を介装させて積層させる積層工程と、積層された前記セラミックス基板と前記金属板を加圧した状態で加熱し、前記ろう材を溶融させてセラミックス基板及び金属板の界面に溶融アルミニウム層を形成する溶融工程と、前記溶融アルミニウム層を凝固させる凝固工程と、を有し、 前記積層工程の前に、前記セラミックス基板の接合面及び前記ろう材のセラミックス基板側の表面のうち少なくとも一方にＣｕを固着させるＣｕ固着工程を有していることを特徴としている。   The method for manufacturing a power module substrate according to the present invention is a method for manufacturing a power module substrate in which a metal plate made of aluminum is laminated and bonded to the surface of the ceramic substrate, the ceramic substrate and the metal plate. A laminating step of interposing and laminating a brazing material containing Si, heating the laminated ceramic substrate and the metal plate in a pressurized state, melting the brazing material, A melting step of forming a molten aluminum layer at the interface of the metal plate; and a solidification step of solidifying the molten aluminum layer, and before the laminating step, the bonding surface of the ceramic substrate and the ceramic substrate of the brazing material A Cu fixing step of fixing Cu to at least one of the side surfaces is provided.

この構成のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、前記セラミックス基板と前記金属板との間にＳｉを含有するろう材を介装させて積層させる積層工程の前に、前記セラミックス基板の接合面及び前記ろう材のセラミックス基板側の表面のうち少なくとも一方にＣｕを固着させるＣｕ固着工程を有しているので、前記セラミックス基板と前記金属板との接合界面にＣｕが確実に添加され、このＣｕによって金属板の表面が活性化され、一般的なＡｌ−Ｓｉ系のろう材を用いて比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、セラミックス基板と金属板とを強固に接合することが可能となる。   According to the method for manufacturing a power module substrate having this structure, the bonding surface of the ceramic substrate is placed before the laminating step of interposing and laminating the brazing material containing Si between the ceramic substrate and the metal plate. And a Cu fixing step for fixing Cu to at least one of the surfaces of the brazing material on the ceramic substrate side, Cu is surely added to the bonding interface between the ceramic substrate and the metal plate. The surface of the metal plate is activated by this, and the ceramic substrate and the metal plate can be firmly bonded even when bonded using a general Al-Si brazing material under relatively low temperature and short time bonding conditions. Is possible.

ここで、前記Ｃｕ固着工程を、蒸着又はスパッタリングによって前記セラミックス基板の接合面及び前記ろう材の表面の少なくとも一方にＣｕを固着させるものとすることが好ましい。
この場合、蒸着又はスパッタリングによって、Ｃｕが前記セラミックス基板の接合面及び前記ろう材の表面の少なくとも一方に確実に固着され、セラミックス基板と金属板との接合界面にＣｕを確実に存在させることが可能となる。これにより、Ｃｕによって金属板の表面が活性化され、セラミックス基板と金属板とを強固に接合することが可能となる。 Here, it is preferable that the Cu fixing step fix Cu to at least one of the bonding surface of the ceramic substrate and the surface of the brazing material by vapor deposition or sputtering.
In this case, Cu can be securely fixed to at least one of the bonding surface of the ceramic substrate and the surface of the brazing material by vapor deposition or sputtering, and Cu can be surely present at the bonding interface between the ceramic substrate and the metal plate. It becomes. Thereby, the surface of the metal plate is activated by Cu, and the ceramic substrate and the metal plate can be firmly bonded.

本発明によれば、金属板とセラミックス基板とが確実に接合され、熱サイクル信頼性の高いパワーモジュール用基板、このパワーモジュール基板を備えたパワーモジュール及びこのパワーモジュール用基板の製造方法を提供することが可能となる。   According to the present invention, there are provided a power module substrate having a high thermal cycle reliability in which a metal plate and a ceramic substrate are reliably bonded, a power module including the power module substrate, and a method for manufacturing the power module substrate. It becomes possible.

本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the power module using the board | substrate for power modules which is the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層及び金属層のＳｉ濃度分布及びＣｕ濃度分布を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows Si concentration distribution and Cu concentration distribution of the circuit layer and metal layer of the board | substrate for power modules which are the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層及び金属層（金属板）とセラミックス基板との接合界面の幅方向端部を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the width direction edge part of the joining interface of the circuit layer of the board | substrate for power modules which is the 1st Embodiment of this invention, a metal layer (metal plate), and a ceramic substrate. 本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層及び金属層（金属板）とセラミックス基板との接合界面の模式図である。It is a schematic diagram of the joining interface of the circuit layer of the board | substrate for power modules which is the 1st Embodiment of this invention, a metal layer (metal plate), and a ceramic substrate. 本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the manufacturing method of the board | substrate for power modules which is the 1st Embodiment of this invention. 図４における金属板とセラミックス基板との接合界面近傍を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the joining interface vicinity of the metal plate and ceramic substrate in FIG. 本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the power module using the board | substrate for power modules which is the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層及び金属層（金属板）とセラミックス基板との接合界面の模式図である。It is the schematic diagram of the joining interface of the circuit layer of the board | substrate for power modules which is the 2nd Embodiment of this invention, a metal layer (metal plate), and a ceramic substrate. 比較実験に用いたパワーモジュール用基板を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the board | substrate for power modules used for the comparative experiment.

以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。図１に本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板及びパワーモジュールを示す。
このパワーモジュール１は、回路層１２が配設されたパワーモジュール用基板１０と、回路層１２の表面にはんだ層２を介して接合された半導体チップ３と、ヒートシンク４とを備えている。ここで、はんだ層２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材とされている。なお、本実施形態では、回路層１２とはんだ層２との間にＮｉメッキ層（図示なし）が設けられている。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 shows a power module substrate and a power module according to the first embodiment of the present invention.
The power module 1 includes a power module substrate 10 on which a circuit layer 12 is disposed, a semiconductor chip 3 bonded to the surface of the circuit layer 12 via a solder layer 2, and a heat sink 4. Here, the solder layer 2 is made of, for example, a Sn—Ag, Sn—In, or Sn—Ag—Cu solder material. In the present embodiment, a Ni plating layer (not shown) is provided between the circuit layer 12 and the solder layer 2.

パワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の一方の面（図１において上面）に配設された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面（図１において下面）に配設された金属層１３とを備えている。
セラミックス基板１１は、回路層１２と金属層１３との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。また、セラミックス基板１１の厚さは、０．２〜１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６３５ｍｍに設定されている。なお、本実施形態では、図１に示すように、セラミック基板１１の幅は、回路層１２及び金属層１３の幅より広く設定されている。 The power module substrate 10 has a ceramic substrate 11, a circuit layer 12 disposed on one surface (the upper surface in FIG. 1) of the ceramic substrate 11, and the other surface (lower surface in FIG. 1) of the ceramic substrate 11. And a disposed metal layer 13.
The ceramic substrate 11 prevents electrical connection between the circuit layer 12 and the metal layer 13, and is made of highly insulating AlN (aluminum nitride). In addition, the thickness of the ceramic substrate 11 is set within a range of 0.2 to 1.5 mm, and in this embodiment is set to 0.635 mm. In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the width of the ceramic substrate 11 is set wider than the widths of the circuit layer 12 and the metal layer 13.

回路層１２は、セラミックス基板１１の一方の面に導電性を有する金属板２２が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、回路層１２は、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板２２がセラミックス基板１１に接合されることにより形成されている。ここで、セラミックス基板１１と金属板２２の接合には、融点降下元素であるＳｉを含有したＡｌ−Ｓｉ系のろう材を用いている。   The circuit layer 12 is formed by bonding a conductive metal plate 22 to one surface of the ceramic substrate 11. In the present embodiment, the circuit layer 12 is formed by joining a metal plate 22 made of a rolled plate of aluminum (so-called 4N aluminum) having a purity of 99.99% or more to the ceramic substrate 11. Here, for bonding the ceramic substrate 11 and the metal plate 22, an Al—Si brazing material containing Si which is a melting point lowering element is used.

金属層１３は、セラミックス基板１１の他方の面に金属板２３が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層１３は、回路層１２と同様に、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板２３がセラミックス基板１１に接合されることで形成されている。ここで、セラミックス基板１１と金属板２３の接合には、融点降下元素であるＳｉを含有したＡｌ−Ｓｉ系のろう材を用いている。   The metal layer 13 is formed by bonding a metal plate 23 to the other surface of the ceramic substrate 11. In the present embodiment, the metal layer 13 is formed by joining a metal plate 23 made of a rolled plate of aluminum (so-called 4N aluminum) having a purity of 99.99% or more, like the circuit layer 12, to the ceramic substrate 11. Is formed. Here, for bonding the ceramic substrate 11 and the metal plate 23, an Al—Si brazing material containing Si as a melting point lowering element is used.

ヒートシンク４は、前述のパワーモジュール用基板１０を冷却するためのものであり、パワーモジュール用基板１０と接合される天板部５と冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路６とを備えている。ヒートシンク４（天板部５）は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。
また、本実施形態においては、ヒートシンク４の天板部５と金属層１３との間には、アルミニウム又はアルミニウム合金若しくはアルミニウムを含む複合材（例えばＡｌＳｉＣ等）からなる緩衝層１５が設けられている。 The heat sink 4 is for cooling the power module substrate 10 described above, and includes a top plate portion 5 joined to the power module substrate 10 and a flow path 6 for circulating a cooling medium (for example, cooling water). It has. The heat sink 4 (top plate portion 5) is preferably made of a material having good thermal conductivity, and in this embodiment, is made of A6063 (aluminum alloy).
In the present embodiment, a buffer layer 15 made of aluminum, an aluminum alloy, or a composite material containing aluminum (for example, AlSiC) is provided between the top plate portion 5 of the heat sink 4 and the metal layer 13. .

そして、図２に示すように、セラミックス基板１１と回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）との接合界面３０の幅方向中央部（図１のＡ部）においては、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）にＳｉ，Ｃｕが固溶しており、接合界面３０から積層方向に離間するにしたがい漸次Ｓｉ，Ｃｕの濃度が低下する濃度傾斜層３３が形成されている。ここで、この濃度傾斜層３３の接合界面３０側のＳｉ濃度が０．０５〜０．５ｗｔ％，Ｃｕ濃度が０．０５〜１．０ｗｔ％の範囲内に設定されている。
なお、濃度傾斜層３３の接合界面３０側のＳｉ濃度及びＣｕ濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）で、接合界面３０から５０μｍまでの範囲内を５点測定した平均値である。 As shown in FIG. 2, in the center part in the width direction (part A in FIG. 1) of the bonding interface 30 between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 (metal plate 22) and the metal layer 13 (metal plate 23), Concentration gradient in which Si and Cu are dissolved in the circuit layer 12 (metal plate 22) and the metal layer 13 (metal plate 23), and the concentration of Si and Cu gradually decreases as the distance from the bonding interface 30 in the stacking direction increases. A layer 33 is formed. Here, the Si concentration on the bonding interface 30 side of the concentration gradient layer 33 is set in the range of 0.05 to 0.5 wt%, and the Cu concentration is set in the range of 0.05 to 1.0 wt%.
Note that the Si concentration and the Cu concentration on the bonding interface 30 side of the concentration gradient layer 33 are average values obtained by measuring five points in the range from the bonding interface 30 to 50 μm by EPMA analysis (spot diameter of 30 μm).

また、セラミックス基板１１と回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）との接合界面３０の幅方向端部３５（図１のＢ部）においては、図３に示すように、アルミニウム中にＳｉ，Ｃｕが固溶したアルミニウム相４１と、Ｓｉの含有率が９８ｗｔ％以上とされたＳｉ相４２と、ＡｌとＣｕとＳｉの３元共晶組織からなる共晶相４３と、が形成されている。また、共晶相４３内においては、Ｃｕを含む化合物（例えばＣｕＡｌ２）からなる析出物粒子が析出している。 Further, in the width direction end portion 35 (B portion in FIG. 1) of the bonding interface 30 between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 (metal plate 22) and the metal layer 13 (metal plate 23), as shown in FIG. An aluminum phase 41 in which Si and Cu are dissolved in aluminum, an Si phase 42 in which the Si content is 98 wt% or more, and a eutectic phase 43 composed of a ternary eutectic structure of Al, Cu, and Si, , Is formed. In the eutectic phase 43, precipitate particles made of a compound containing Cu (for example, CuAl 2 ) are precipitated.

また、セラミックス基板１１と回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）との接合界面３０を透過電子顕微鏡において観察した場合には、図４に示すように、接合界面３０にＳｉが濃縮したＳｉ高濃度部３２が形成されている。このＳｉ高濃度部３２においては、Ｓｉ濃度が、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）中のＳｉ濃度よりも５倍以上高くなっている。なお、このＳｉ高濃度部３２の厚さＨは４ｎｍ以下とされている。
ここで、観察する接合界面３０は、図４に示すように、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）の格子像の界面側端部とセラミックス基板１１の格子像の界面側端部との間の中央を基準面Ｓとする。 When the bonding interface 30 between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 (metal plate 22) and the metal layer 13 (metal plate 23) is observed with a transmission electron microscope, as shown in FIG. A Si high concentration portion 32 enriched with Si is formed. In the high Si concentration portion 32, the Si concentration is 5 times or more higher than the Si concentration in the circuit layer 12 (metal plate 22) and the metal layer 13 (metal plate 23). The thickness H of the high Si concentration portion 32 is 4 nm or less.
Here, as shown in FIG. 4, the bonding interface 30 to be observed is an interface side end of the lattice image of the circuit layer 12 (metal plate 22) and the metal layer 13 (metal plate 23) and the lattice image of the ceramic substrate 11. A center between the interface side end portion is defined as a reference plane S.

このようなパワーモジュール用基板１０は、以下のようにして製造される。
ＡｌＮからなるセラミックス基板１１の両面に、スパッタリングによってＣｕが固着される（Ｃｕ固着工程）。
そして、図５に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に、回路層１２となる金属板２２（４Ｎアルミニウムの圧延板）が、厚さ１０〜３０μｍ（本実施形態では２０μｍ）のろう材箔２４を介して積層され、セラミックス基板１１の他方の面に金属層１３となる金属板２３（４Ｎアルミニウムの圧延板）が厚さ１０〜３０μｍ（本実施形態では２０μｍ）のろう材箔２５を介して積層される（積層工程）。 Such a power module substrate 10 is manufactured as follows.
Cu is fixed to both surfaces of the ceramic substrate 11 made of AlN by sputtering (Cu fixing step).
And as shown in FIG. 5, the metal plate 22 (4N aluminum rolling plate) used as the circuit layer 12 on one surface of the ceramic substrate 11 is 10-30 micrometers in thickness (20 micrometers in this embodiment) brazing material. A brazing material foil 25 having a thickness of 10 to 30 μm (20 μm in the present embodiment), a metal plate 23 (rolled plate of 4N aluminum) which is laminated through the foil 24 and becomes the metal layer 13 on the other surface of the ceramic substrate 11. (Stacking step).

このようにして形成された積層体２０をその積層方向に加圧（圧力１〜５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空炉内に装入して加熱し、ろう材箔２４、２５を溶融する（溶融工程）。ここで真空炉内の真空度は、１０−３Ｐａ〜１０−５Ｐａとされている。この溶融工程によって、図６に示すように、回路層１２及び金属層１３となる金属板２２、２３の一部とろう材箔２４、２５とが溶融し、セラミックス基板１１の表面に溶融アルミニウム層２６、２７が形成される。
次に、積層体２０を冷却することによって溶融アルミニウム層２６、２７を凝固させる（凝固工程）。
このようにして、回路層１２及び金属層１３となる金属板２２、２３とセラミックス基板１１とが接合され、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０が製造される。 The laminated body 20 formed in this way is charged in the laminating direction (pressure 1 to 5 kgf / cm 2 ) in a vacuum furnace and heated to melt the brazing material foils 24 and 25 ( Melting process). Here, the degree of vacuum in the vacuum furnace is set to 10 −3 Pa to 10 −5 Pa. By this melting step, as shown in FIG. 6, part of the metal plates 22 and 23 that become the circuit layer 12 and the metal layer 13 and the brazing foils 24 and 25 are melted, and a molten aluminum layer is formed on the surface of the ceramic substrate 11. 26 and 27 are formed.
Next, the laminated body 20 is cooled to solidify the molten aluminum layers 26 and 27 (solidification step).
In this way, the metal plates 22 and 23 to be the circuit layer 12 and the metal layer 13 and the ceramic substrate 11 are joined, and the power module substrate 10 according to the present embodiment is manufactured.

以上のような構成とされた本実施形態であるパワーモジュール用基板１０及びパワーモジュール１においては、セラミックス基板１１と回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）とが、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材を用いて接合されるとともに、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）とセラミックス基板１１の接合界面３０にＣｕが添加されているので、接合界面３０に存在するＣｕとＡｌとが溶融反応し、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、セラミックス基板１１と回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）とを強固に接合でき、接合信頼性を大幅に向上させることができる。   In the power module substrate 10 and the power module 1 according to the present embodiment configured as described above, the ceramic substrate 11, the circuit layer 12 (metal plate 22), and the metal layer 13 (metal plate 23) are made of Al. Since bonding is performed using a Si-based brazing material and Cu is added to the bonding interface 30 between the circuit layer 12 (metal plate 22) and the metal layer 13 (metal plate 23) and the ceramic substrate 11, the bonding interface Even if Cu and Al existing in 30 are melt-reacted and bonded under relatively low temperature and short time bonding conditions, the ceramic substrate 11, the circuit layer 12 (metal plate 22), and the metal layer 13 (metal plate 23) Can be firmly joined, and the joining reliability can be greatly improved.

また、セラミックス基板１１と回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）との接合界面３０の幅方向中央部（図１のＡ部）においては、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）にＳｉ，Ｃｕが固溶しており、接合界面３０から積層方向に離間するにしたがい漸次Ｓｉ，Ｃｕの濃度が低下する濃度傾斜層３３が形成されており、この濃度傾斜層３３の接合界面３０側のＣｕ濃度が０．０５〜１．０ｗｔ％の範囲内に設定されているので、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）の接合界面３０側の部分が固溶強化し、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）における破断の発生を防止することができる。
また、この濃度傾斜層３３の接合界面３０側のＳｉ濃度が０．０５〜０．５ｗｔ％の範囲内に設定されているので、Ｓｉが十分に回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）中に拡散しており、ろう材が確実に溶融して凝固されることでセラミックス基板１１と回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）とを強固に接合することができる。 The circuit layer 12 (metal plate 22) is formed at the central portion (A portion in FIG. 1) of the bonding interface 30 between the ceramic substrate 11, the circuit layer 12 (metal plate 22), and the metal layer 13 (metal plate 23). ) And the metal layer 13 (metal plate 23), a concentration gradient layer 33 is formed in which the concentration of Si and Cu gradually decreases as the distance from the bonding interface 30 in the stacking direction increases. Since the Cu concentration on the bonding interface 30 side of the concentration gradient layer 33 is set in the range of 0.05 to 1.0 wt%, the circuit layer 12 (metal plate 22) and the metal layer 13 (metal plate 23). The portion on the side of the bonding interface 30 is solid-solution strengthened, and the occurrence of breakage in the circuit layer 12 (metal plate 22) and the metal layer 13 (metal plate 23) can be prevented.
In addition, since the Si concentration on the bonding interface 30 side of the concentration gradient layer 33 is set within a range of 0.05 to 0.5 wt%, Si is sufficient for the circuit layer 12 (metal plate 22) and the metal layer 13. It diffuses in the (metal plate 23), and the brazing material is surely melted and solidified, so that the ceramic substrate 11, the circuit layer 12 (metal plate 22), and the metal layer 13 (metal plate 23) are strengthened. Can be joined.

さらに、セラミックス基板１１の幅が回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）の幅よりも広く設定され、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）の幅方向端部３５に、アルミニウム中にＳｉ，Ｃｕが固溶したアルミニウム相４１と、Ｓｉの含有率が９８ｗｔ％以上とされたＳｉ相４２と、ＡｌとＣｕとＳｉの３元共晶組織からなる共晶相４３と、が形成されているので、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）の幅方向端部３５の強度が向上することになる。さらに、共晶相４３内においては、Ｃｕを含む化合物（例えばＣｕＡｌ２）からなる析出物粒子が析出しているので、幅方向端部３５を析出強化することができる。
これにより、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）の幅方向端部３５からの破断の発生を防止することができる。 Further, the width of the ceramic substrate 11 is set wider than the width of the circuit layer 12 (metal plate 22) and the metal layer 13 (metal plate 23), and the circuit layer 12 (metal plate 22) and the metal layer 13 (metal plate 23). The aluminum phase 41 in which Si and Cu are dissolved in aluminum, the Si phase 42 in which the Si content is 98 wt% or more, and the ternary eutectic structure of Al, Cu, and Si are formed in the width direction end portion 35. Thus, the strength of the width direction end portion 35 of the circuit layer 12 (metal plate 22) and the metal layer 13 (metal plate 23) is improved. Furthermore, in the eutectic phase 43, precipitate particles made of a compound containing Cu (for example, CuAl 2 ) are precipitated, so that the widthwise end portion 35 can be strengthened by precipitation.
Thereby, generation | occurrence | production of the fracture | rupture from the width direction edge part 35 of the circuit layer 12 (metal plate 22) and the metal layer 13 (metal plate 23) can be prevented.

また、本実施形態では、セラミックス基板１１がＡｌＮで構成されており、金属板２２、２３とセラミックス基板１１との接合界面３０に、Ｓｉ濃度が、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）中のＳｉ濃度の５倍以上とされたＳｉ高濃度部３２が形成されているので、接合界面３０に存在するＳｉによってセラミックス基板１１と金属板２２、２３との接合強度の向上を図ることができる。   In this embodiment, the ceramic substrate 11 is made of AlN, and the Si concentration at the bonding interface 30 between the metal plates 22 and 23 and the ceramic substrate 11 is the circuit layer 12 (metal plate 22) and the metal layer 13. Since the Si high concentration portion 32 having a Si concentration of 5 times or more of the (metal plate 23) is formed, the bonding strength between the ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23 is increased by Si present at the bonding interface 30. Improvements can be made.

次に、本発明の第２の実施形態について図７及び図８を参照して説明する。なお、第１の実施形態と同一の部材には同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
この第２の実施形態であるパワーモジュール用基板１１０においては、セラミックス基板１１１がＳｉ３Ｎ４で構成されている点が第１の実施形態と異なっている。 Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the member same as 1st Embodiment, and detailed description is abbreviate | omitted.
The power module substrate 110 according to the second embodiment is different from the first embodiment in that the ceramic substrate 111 is composed of Si 3 N 4 .

ここで、セラミックス基板１１１と回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）との接合界面３０を透過電子顕微鏡において観察した場合には、図８に示すように、接合界面３０に酸素が濃縮した酸素高濃度部１３２が形成されている。この酸素高濃度部１３２においては、酸素濃度が、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）中の酸素濃度よりも高くなっている。なお、この酸素高濃度部１３２の厚さＨは４ｎｍ以下とされている。
なお、ここで観察する接合界面３０は、図８に示すように、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）の格子像の界面側端部とセラミックス基板１１１の格子像の接合界面側端部との間の中央を基準面Ｓとする。 Here, when the bonding interface 30 between the ceramic substrate 111 and the circuit layer 12 (metal plate 22) and the metal layer 13 (metal plate 23) is observed with a transmission electron microscope, as shown in FIG. A high oxygen concentration portion 132 in which oxygen is concentrated is formed. In the oxygen high concentration portion 132, the oxygen concentration is higher than the oxygen concentration in the circuit layer 12 (metal plate 22) and the metal layer 13 (metal plate 23). Note that the thickness H of the high oxygen concentration portion 132 is 4 nm or less.
As shown in FIG. 8, the bonding interface 30 to be observed here is a lattice image of the ceramic substrate 111 and the interface side end of the lattice image of the circuit layer 12 (metal plate 22) and the metal layer 13 (metal plate 23). The reference plane S is the center between the end of the bonding interface side.

以上のような構成とされた第２の本実施形態であるパワーモジュール用基板１１０においては、回路層１２及び金属層１３となる金属板２２、２３とセラミックス基板１１１との接合界面３０に、酸素濃度が回路層１２及び金属層１３を構成する金属板２２、２３中の酸素濃度よりも高くされた酸素高濃度部１３２が生成されているので、この酸素によってセラミックス基板１１１と金属板２２、２３との接合強度の向上を図ることができる。また、この酸素高濃度部１３２の厚さが４ｎｍ以下とされているので、熱サイクルを負荷した際の応力によって酸素高濃度部１３２にクラックが発生することが抑制される。   In the power module substrate 110 according to the second embodiment having the above-described configuration, oxygen atoms are present at the bonding interface 30 between the metal plates 22 and 23 serving as the circuit layer 12 and the metal layer 13 and the ceramic substrate 111. Since the oxygen high concentration portion 132 having a higher concentration than the oxygen concentration in the metal plates 22 and 23 constituting the circuit layer 12 and the metal layer 13 is generated, the ceramic substrate 111 and the metal plates 22 and 23 are generated by this oxygen. The joint strength can be improved. Further, since the thickness of the high oxygen concentration portion 132 is set to 4 nm or less, the occurrence of cracks in the high oxygen concentration portion 132 due to stress when a thermal cycle is loaded is suppressed.

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、回路層及び金属層を構成する金属板を純度９９．９９％の純アルミニウムの圧延板としたものとして説明したが、これに限定されることはなく、純度９９％のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）であってもよい。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to this, It can change suitably in the range which does not deviate from the technical idea of the invention.
For example, the metal plate constituting the circuit layer and the metal layer has been described as a rolled plate of pure aluminum having a purity of 99.99%, but is not limited to this, and aluminum having a purity of 99% (2N aluminum) It may be.

また、ヒートシンクの天板部と金属層との間に、アルミニウム又はアルミニウム合金若しくはアルミニウムを含む複合材（例えばＡｌＳｉＣ等）からなる緩衝層を設けたものとして説明したが、この緩衝層がなくてもよい。
さらに、ヒートシンクをアルミニウムで構成したものとして説明したが、アルミニウム合金、又はアルミニウムを含む複合材等で構成されていてもよい。さらに、ヒートシンクとして冷却媒体の流路を有するもので説明したが、ヒートシンクの構造に特に限定はない。 Moreover, although demonstrated as what provided the buffer layer which consists of aluminum, the aluminum alloy, or the composite material containing aluminum (for example, AlSiC etc.) between the top-plate part of a heat sink and a metal layer, even if this buffer layer is not provided Good.
Furthermore, although the heat sink has been described as being made of aluminum, it may be made of an aluminum alloy or a composite material containing aluminum. Further, although the description has been given of the heat sink having a cooling medium flow path, the structure of the heat sink is not particularly limited.

また、第１の実施形態において、セラミックス基板をＡｌＮで構成されたものとして説明したが、これに限定されることはなく、Ａｌ２Ｏ３等の他のセラミックスで構成されていてもよい。 In the first embodiment, the ceramic substrate is described as being made of AlN. However, the ceramic substrate is not limited to this, and may be made of other ceramics such as Al 2 O 3 .

また、セラミックス基板の表面にＣｕを固着させるＣｕ固着工程を有したものとして説明したが、これに限定されることはなく、ろう材箔の表面にＣｕを固着させてもよい。また、スパッタでなく蒸着やメッキ等でＣｕを固着させてもよい。さらには、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材中にＣｕを添加してもよい。   Moreover, although it demonstrated as having the Cu adhering process which adheres Cu to the surface of a ceramic substrate, it is not limited to this, You may adhere Cu to the surface of a brazing material foil. Further, Cu may be fixed not by sputtering but by vapor deposition or plating. Further, Cu may be added to the Al—Si brazing material.

本発明の有効性を確認するために行った比較実験について説明する。
図９に示すように、比較例及び実施例１においては、厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮからなるセラミックス基板１１と、厚さ０．６ｍｍの４Ｎアルミニウムからなる回路層１２と、厚さ０．６ｍｍの４Ｎアルミニウムからなる金属層１３と、厚さ５ｍｍのアルミニウム合金（Ａ６０６３）からなる天板部５と、厚さ１．０ｍｍの４Ｎアルミニウムからなる緩衝層１５とを共通に有している。 A comparative experiment conducted to confirm the effectiveness of the present invention will be described.
As shown in FIG. 9, in the comparative example and Example 1, the ceramic substrate 11 made of AlN having a thickness of 0.635 mm, the circuit layer 12 made of 4N aluminum having a thickness of 0.6 mm, and the thickness of 0.6 mm. The metal layer 13 made of 4N aluminum, the top plate portion 5 made of an aluminum alloy (A6063) having a thickness of 5 mm, and the buffer layer 15 made of 4N aluminum having a thickness of 1.0 mm are commonly provided.

実施例１は、セラミックス基板１１の表面にＣｕをスパッタリングによって固着させた後に、回路層１２及び金属層１３となる金属板をＡｌ−Ｓｉ系ろう材を用いて接合した。
比較例は、Ｃｕを接合界面に添加することなく、セラミックス基板１１と回路層１２及び金属層１３となる金属板をＡｌ−Ｓｉ系ろう材を用いて接合した。
これらの試験片を用いて接合信頼性の評価を行った。接合信頼性の評価としては、熱サイクル（−４５℃−１２５℃）を繰り返した後の接合率を比較した。評価結果を表１に示す。 In Example 1, after Cu was fixed to the surface of the ceramic substrate 11 by sputtering, the metal plates to be the circuit layer 12 and the metal layer 13 were joined using an Al—Si brazing material.
In the comparative example, the ceramic substrate 11 and the metal plate to be the circuit layer 12 and the metal layer 13 were bonded using an Al—Si brazing material without adding Cu to the bonding interface.
These test pieces were used to evaluate the bonding reliability. As evaluation of joining reliability, the joining rate after repeating a thermal cycle (-45 degreeC-125 degreeC) was compared. The evaluation results are shown in Table 1.

Figure 2010016349
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接合界面にＣｕが添加されておらず、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材を用いて接合された比較例においては、熱サイクルを１０００回負荷した時点では接合率が１００％近くであったが２０００回負荷した時点では接合率の低下が認められ、３０００回負荷した時点では９１．５％まで低下している。
一方、接合界面に、Ｃｕが添加された実施例１においては、２０００回負荷しても接合率は低下せず、３０００回負荷後でも接合率は９９．２％であった。
この確認実験により、本発明によれば、接合界面にＣｕを添加することによって、熱サイクル信頼性が向上することが確認された。 In the comparative example in which Cu was not added to the bonding interface and bonded using an Al—Si based brazing material, the bonding rate was close to 100% when the thermal cycle was loaded 1000 times, but 2000 times When the load is applied, a decrease in the bonding rate is recognized, and when the load is applied 3000 times, the reduction is 91.5%.
On the other hand, in Example 1 in which Cu was added to the bonding interface, the bonding rate did not decrease even after 2000 loading, and the bonding rate was 99.2% even after 3000 loading.
From this confirmation experiment, according to the present invention, it was confirmed that the thermal cycle reliability is improved by adding Cu to the bonding interface.

次に、パワーモジュール用基板における金属層の成分分析結果を示す。
厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮからなるセラミックス基板１１に、厚さ０．６ｍｍの４Ｎアルミニウムからなる回路層１２と、厚さ０．６ｍｍの４Ｎアルミニウムからなる金属層１３とを接合し、パワーモジュール用基板を作製した。
ここで、実施例２−４は、Ａｌ―７．５ｗｔ％Ｓｉろう材の表面に１．５μｍ厚さのＣｕ層を形成し、このＡｌ―７．５ｗｔ％Ｓｉろう材を用いて、セラミックス基板１１に回路層１２と金属層１３とを接合した。なお、接合温度を６１０℃、６３０℃、６５０℃の３水準とした。
実施例５−７は、セラミックス基板１１の表面に１．５μｍ厚さのＣｕ層を形成し、Ａｌ―７．５ｗｔ％Ｓｉろう材を用いて、セラミックス基板１１に回路層１２と金属層１３とを接合した。なお、接合温度を６１０℃、６３０℃、６５０℃の３水準とした。 Next, the component analysis result of the metal layer in the power module substrate is shown.
For a power module, a circuit layer 12 made of 4N aluminum having a thickness of 0.6 mm and a metal layer 13 made of 4N aluminum having a thickness of 0.6 mm are joined to a ceramic substrate 11 made of AlN having a thickness of 0.635 mm. A substrate was produced.
Here, in Example 2-4, a Cu layer having a thickness of 1.5 μm is formed on the surface of an Al-7.5 wt% Si brazing material, and this Al-7.5 wt% Si brazing material is used to form a ceramic substrate. 11, the circuit layer 12 and the metal layer 13 were joined. The bonding temperature was set at three levels of 610 ° C., 630 ° C., and 650 ° C.
In Example 5-7, a 1.5 μm-thick Cu layer is formed on the surface of the ceramic substrate 11, and a circuit layer 12, a metal layer 13, and a ceramic substrate 11 are formed using an Al-7.5 wt% Si brazing material. Were joined. The bonding temperature was set at three levels of 610 ° C., 630 ° C., and 650 ° C.

これら実施例２−７について、金属層とセラミックス基板との界面の幅方向中央部、前記界面の幅方向端部におけるＣｕ濃度及びＳｉ濃度をＥＰＭＡを用いて定量分析した。結果を表２に示す。   About these Examples 2-7, the Cu concentration and Si concentration in the width direction center part of the interface of a metal layer and a ceramic substrate and the width direction edge part of the said interface were quantitatively analyzed using EPMA. The results are shown in Table 2.

Figure 2010016349
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この定量分析の結果、セラミックス基板と金属板とを、Ｃｕ層を形成するとともにＡｌ−Ｓｉ系ろう材を用いて接合することにより、幅方向中央部においては、接合界面側部分におけるＳｉ濃度が０．０５〜０．５ｗｔ％，Ｃｕ濃度が０．０５〜１．０ｗｔ％の範囲内に設定されることが確認された。また、幅方向端部においては、Ｓｉ及びＣｕが高濃度に存在していることが確認された。   As a result of this quantitative analysis, the ceramic substrate and the metal plate are bonded together by forming a Cu layer and using an Al—Si brazing material, so that the Si concentration at the bonding interface side portion is 0 at the central portion in the width direction. 0.05 to 0.5 wt%, and the Cu concentration was confirmed to be set within the range of 0.05 to 1.0 wt%. Moreover, it was confirmed that Si and Cu exist in high concentration at the end in the width direction.

１，１０１ パワーモジュール
２ 半導体チップ（電子部品）
１０，１１０ パワーモジュール用基板
１１、１１１ セラミックス基板
１２ 回路層
１３ 金属層
２２、２３ 金属板
２４、２５ ろう材箔（ろう材）
２６、２７ 溶融アルミニウム層
３０ 接合界面
３２ Ｓｉ高濃度部
１３２ 酸素高濃度部 1,101 Power module 2 Semiconductor chip (electronic component)
10, 110 Power module substrate 11, 111 Ceramic substrate 12 Circuit layer 13 Metal layer 22, 23 Metal plate 24, 25 Brazing material foil (brazing material)
26, 27 Molten aluminum layer 30 Bonding interface 32 High Si concentration portion 132 High oxygen concentration portion

Claims (8)

セラミックス基板の表面に、アルミニウムからなる金属板が積層されて接合されたパワーモジュール用基板であって、
前記金属板と前記セラミックス基板とがＳｉを含有するろう材を用いて接合されるとともに、前記金属板と前記セラミックス基板の接合界面にＣｕが添加されており、
前記金属板には、Ｓｉ及びＣｕが固溶しており、前記接合界面側部分におけるＳｉ濃度が０．０５〜０．５ｗｔ％，Ｃｕ濃度が０．０５〜１．０ｗｔ％の範囲内に設定されていることを特徴とするパワーモジュール用基板。 A power module substrate in which a metal plate made of aluminum is laminated and bonded to the surface of a ceramic substrate,
The metal plate and the ceramic substrate are bonded using a brazing material containing Si, and Cu is added to the bonding interface between the metal plate and the ceramic substrate,
Si and Cu are solid-dissolved in the metal plate, and the Si concentration in the bonding interface side portion is set within a range of 0.05 to 0.5 wt% and the Cu concentration is set within a range of 0.05 to 1.0 wt% A power module substrate, characterized in that 前記セラミックス基板の幅が前記金属板の幅よりも広く設定されており、前記金属板の幅方向端部においては、アルミニウム中にＳｉ，Ｃｕが固溶されたアルミニウム相と、Ｓｉの含有率が９８ｗｔ％以上とされたＳｉ相と、ＡｌとＣｕとＳｉの３元共晶組織からなる共晶相と、が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール用基板。   The width of the ceramic substrate is set wider than the width of the metal plate, and at the end in the width direction of the metal plate, the aluminum phase in which Si and Cu are dissolved in aluminum, and the content ratio of Si are The power module substrate according to claim 1, wherein a Si phase of 98 wt% or more and a eutectic phase composed of a ternary eutectic structure of Al, Cu, and Si are formed. 前記共晶相においては、Ｃｕを含む化合物からなる析出粒子が析出していることを特徴とする請求項２に記載のパワーモジュール用基板。   The power module substrate according to claim 2, wherein in the eutectic phase, precipitated particles made of a compound containing Cu are precipitated. 前記セラミックス基板がＡｌＮ又はＡｌ２Ｏ３で構成されており、前記金属板と前記セラミックス基板との接合界面に、Ｓｉ濃度が前記金属板中のＳｉ濃度の５倍以上とされたＳｉ高濃度部が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板。 The ceramic substrate is made of AlN or Al 2 O 3 , and a Si high concentration portion where the Si concentration is 5 times or more of the Si concentration in the metal plate at the bonding interface between the metal plate and the ceramic substrate The power module substrate according to any one of claims 1 to 3, wherein the substrate is formed. 前記セラミックス基板がＳｉ３Ｎ４で構成されており、前記金属板と前記セラミックス基板との接合界面に、酸素濃度が前記金属板中及び前記セラミックス基板中の酸素濃度よりも高くされた酸素高濃度部が形成されており、該酸素高濃度部の厚さが４ｎｍ以下とされていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板。 The ceramic substrate is made of Si 3 N 4 , and the oxygen concentration is higher than the oxygen concentration in the metal plate and the ceramic substrate at the bonding interface between the metal plate and the ceramic substrate. The power module substrate according to any one of claims 1 to 3, wherein a portion is formed, and the thickness of the high oxygen concentration portion is 4 nm or less. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板と、該パワーモジュール用基板上に搭載される電子部品と、を備えたことを特徴とするパワーモジュール。   A power module comprising the power module substrate according to any one of claims 1 to 5 and an electronic component mounted on the power module substrate. セラミックス基板の表面に、アルミニウムからなる金属板が積層されて接合されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記セラミックス基板と前記金属板との間にＳｉを含有するろう材を介装させて積層させる積層工程と、積層された前記セラミックス基板と前記金属板を加圧した状態で加熱し、前記ろう材を溶融させてセラミックス基板及び金属板の界面に溶融アルミニウム層を形成する溶融工程と、前記溶融アルミニウム層を凝固させる凝固工程と、を有し、
前記積層工程の前に、前記セラミックス基板の接合面及び前記ろう材のセラミックス基板側の表面のうち少なくとも一方にＣｕを固着させるＣｕ固着工程を有していることを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。 A method for manufacturing a power module substrate in which a metal plate made of aluminum is laminated and bonded to the surface of a ceramic substrate,
A laminating step of interposing and laminating a brazing material containing Si between the ceramic substrate and the metal plate; and heating the brazed material in a state where the laminated ceramic substrate and the metal plate are pressurized. And a melting step of forming a molten aluminum layer at the interface between the ceramic substrate and the metal plate, and a solidification step of solidifying the molten aluminum layer,
A power module substrate comprising a Cu fixing step of fixing Cu to at least one of a bonding surface of the ceramic substrate and a surface of the brazing material on the ceramic substrate side before the laminating step. Production method. 前記Ｃｕ固着工程は、蒸着又はスパッタリングによって前記セラミックス基板の接合面及び前記ろう材のセラミックス基板側の表面のうち少なくとも一方にＣｕを固着させることを特徴とする請求項６に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。   The power module substrate according to claim 6, wherein the Cu fixing step fixes Cu to at least one of a bonding surface of the ceramic substrate and a surface of the brazing material on the ceramic substrate side by vapor deposition or sputtering. Manufacturing method.
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